王運(yùn)森， 閆騰飛， 安龍

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng)110004）

0 引 言

由于我國(guó)礦業(yè)前期的不規(guī)律開采，尤其是私人對(duì)地下礦石的亂采以及盜采，使得礦山地下形成了各種大大小小、形狀不一、地理位置不清的采空區(qū).這些不明采空區(qū)對(duì)礦山的安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅，因此，探明這些潛在的采空區(qū)對(duì)礦山安全生產(chǎn)來(lái)說(shuō)顯得至關(guān)重要[1-4].

針對(duì)這些問(wèn)題，我國(guó)礦業(yè)科技工作者先后做了大量的工作，如通過(guò)探地雷達(dá)、地震波探測(cè)、電阻率測(cè)井、GIS等手段來(lái)探測(cè)空區(qū)[5-9]，然而這些方法均不同程度地存在著抗干擾能力弱，勘探深度有限，解譯過(guò)程繁瑣，可視化程度低，探測(cè)結(jié)果精度不高等缺點(diǎn).激光探測(cè)技術(shù)作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，具有探測(cè)精度高，探測(cè)速度快，成像直觀立體等優(yōu)點(diǎn)，在各類空區(qū)的精確探測(cè)上顯示了獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)[10-13].

目前，CMS系統(tǒng)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家地下空區(qū)掃描方面得到了廣泛的運(yùn)用，能得到完整的、全面的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)“點(diǎn)云”，然而由于采空區(qū)的空間位置的復(fù)雜性，取得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，CMS系統(tǒng)自帶的軟件一般不具有較好的建模能力，本文針對(duì)這些應(yīng)用中的難點(diǎn)，綜合利用Geomagic、3DMINE等軟件，開展了利用CMS進(jìn)行復(fù)雜空區(qū)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方案與后期點(diǎn)云處理流程方面的研究.

1 CMS工作原理及探測(cè)方法

1.1 CM S工作原理及組成結(jié)構(gòu)

CMS的基本構(gòu)成包括激光掃描頭、伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)控制系統(tǒng)、電源、數(shù)據(jù)接收器、手持式控制器及數(shù)據(jù)處理軟件[1-4].通過(guò)伺服控制系統(tǒng)及內(nèi)置的反光鏡，使脈沖激光束在水平及垂直2個(gè)方向上快速移動(dòng).其工作原理如圖1所示，激光掃描頭按照手持控制器設(shè)定的精度要求抬高一定的傾角，在這個(gè)傾角下做一次圍繞橫軸的360°掃描，同時(shí)記錄本次掃描的傾角及距離數(shù)據(jù)，完成后再增大傾角，做另外一次掃描，直到到達(dá)設(shè)定的傾角掃描范圍（140°）.

圖1 CM S工作原理示意圖

1.2 復(fù)雜空區(qū)探測(cè)方法

利用CMS探測(cè)采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方案：

1）根據(jù)空區(qū)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，選擇架設(shè)地點(diǎn)時(shí)需要綜合考慮安全、便于設(shè)備架設(shè)和便于測(cè)定支架上2個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)等因素.針對(duì)由于測(cè)量空間的限制，不具備使用延長(zhǎng)桿的情況，設(shè)計(jì)了基于激光筆的虛擬延長(zhǎng)桿來(lái)確定靶標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)；對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在遮擋，無(wú)法一次性全區(qū)域掃描的空區(qū)，則要分析空區(qū)大致形態(tài)，布置多個(gè)測(cè)點(diǎn).如圖2所示.

圖2 復(fù)雜空區(qū)探測(cè)示意圖

2）對(duì)于相對(duì)安全的以及測(cè)量人員可以進(jìn)入的地下空區(qū)領(lǐng)域，可以將CMS設(shè)備用三腳架架設(shè)在空區(qū)里；對(duì)于人員無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)空區(qū)，將激光掃描頭用支撐桿伸入到待測(cè)空區(qū)內(nèi)，盡可能使掃描頭的激光不被遮擋.

3）設(shè)備架設(shè)妥當(dāng)后，工作人員手持無(wú)線控制器在較安全的位置監(jiān)控CMS探測(cè)過(guò)程，控制器里裝有CMS控制軟件，它可以設(shè)置掃描的精度、傾角角度范圍，并且可以實(shí)時(shí)顯示空區(qū)的掃描進(jìn)程以及點(diǎn)云的分布形態(tài).

4）用全站儀測(cè)定CMS掃描頭支架上的2個(gè)靶標(biāo)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，系統(tǒng)利用這2個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算出掃描頭的原點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而把每個(gè)測(cè)點(diǎn)的極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為礦山實(shí)際坐標(biāo)，這樣便于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理（點(diǎn)云拼接、三維建模等）.

5）探測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理和存儲(chǔ).首先激光掃描頭獲取點(diǎn)的空間相對(duì)極坐標(biāo)信息，然后通過(guò)數(shù)據(jù)接收器接收并緩存，接著探測(cè)數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送到手持控制器或者現(xiàn)場(chǎng)筆記本計(jì)算機(jī)中，結(jié)合全站儀測(cè)定的2個(gè)靶點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，CMS所獲得的初始數(shù)據(jù)是二進(jìn)制類型數(shù)據(jù)，必須通過(guò)CMS初始軟件將數(shù)據(jù)由二進(jìn)制類型轉(zhuǎn)化為“DXF”“ASC”和“XYZ”類型保存，方便與CAD、Geomagic、3Dmine等軟件結(jié)合進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理.

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及三維建模過(guò)程

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

CMS進(jìn)行完一次空區(qū)掃描后，掃描所得數(shù)據(jù)量通常在數(shù)十萬(wàn)之間，對(duì)有些大型空區(qū)，在掃描精度較高要求下，掃描所得到的數(shù)據(jù)量達(dá)到了數(shù)百萬(wàn)之多，尤其在20m范圍內(nèi)掃描時(shí)，點(diǎn)云往往過(guò)于密集，往往存在著重點(diǎn)、無(wú)序點(diǎn)、偏離點(diǎn)等壞點(diǎn).如不預(yù)先優(yōu)化處理（點(diǎn)云過(guò)濾）這些點(diǎn)，這必將在后期點(diǎn)云處理時(shí)給計(jì)算機(jī)運(yùn)行帶來(lái)很大的壓力，同時(shí)也會(huì)影響后期的圖形質(zhì)量.鑒于此，結(jié)合Geomagic Studio軟件論述了對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理.其流程如圖3，描述如下.

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理流程圖

1）點(diǎn)云著色.點(diǎn)擊該功能，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算點(diǎn)云的法向量，賦予點(diǎn)云顏色，點(diǎn)云著色后，對(duì)象出現(xiàn)曲面化視圖，這樣你可以看出對(duì)象的具體形狀，能看出較明顯的壞點(diǎn)，從而知道應(yīng)該對(duì)點(diǎn)云做何處理，便于點(diǎn)云優(yōu)化處理.

2）手動(dòng)刪除雜點(diǎn).對(duì)于一些明顯偏離掃描體表面的點(diǎn)，這里稱為孤立點(diǎn)或者偏離點(diǎn)，可通過(guò)人工索套選擇這些明顯偏離掃描體的點(diǎn)，首先進(jìn)行手動(dòng)刪除.

3）斷開組件連接.點(diǎn)擊斷開組建連接功能，彈出選擇非連接選項(xiàng)的對(duì)話框，在“分隔”選擇“低”，表示偏離點(diǎn)離掃描體的距離和范圍，然后點(diǎn)擊確定，退出對(duì)話框后按Delete刪除選中的非連接點(diǎn)云.該命令可自動(dòng)探測(cè)所有非連接點(diǎn)云，代替手動(dòng)選擇.

4）體外孤點(diǎn).點(diǎn)擊體外孤點(diǎn)功能，彈出體外孤點(diǎn)對(duì)話框，將敏感性設(shè)置為100，點(diǎn)擊應(yīng)用后確定，按Delete刪除選中的紅色點(diǎn)云.該命令表示選擇任何超出指定移動(dòng)限制的點(diǎn)，體外孤點(diǎn)功能非常保守，可使用3次達(dá)到最佳效果.

5）減少噪音.點(diǎn)擊減少噪音功能，該命令有助于減少在掃描中的噪音點(diǎn)使其到最小，更好地表現(xiàn)真實(shí)的物體形狀.造成噪音點(diǎn)的原因可能是掃描設(shè)備輕微震動(dòng)、物體表面較差、光線變化等.

6）統(tǒng)一采樣.該功能是通過(guò)人為設(shè)定點(diǎn)間距以及曲率優(yōu)先等相關(guān)參數(shù)后，軟件自動(dòng)去除因拼接掃描體等產(chǎn)生的重疊點(diǎn)或冗余點(diǎn)，與此同時(shí)，再保持掃描體形狀不變條件下稀釋點(diǎn)云，減小點(diǎn)云數(shù)量以減小計(jì)算機(jī)處理壓力.

2.2 點(diǎn)云拼接

對(duì)于復(fù)雜的空區(qū)，為了減少空區(qū)遮擋物對(duì)激光的遮擋，往往要選擇多個(gè)架設(shè)點(diǎn)對(duì)空區(qū)進(jìn)行掃描，再將多次掃描探測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成完整的空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù).

由于CMS每次掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是相對(duì)掃描系統(tǒng)自己的坐標(biāo)系，因此不同的掃描位置獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是處在不同的坐標(biāo)系下，必須將不同坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)設(shè)法置于一個(gè)公共坐標(biāo)系下，從而獲取一個(gè)完整的空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù).本論文是通過(guò)全站儀測(cè)定架設(shè)在CMS機(jī)頭上的靶標(biāo)地理坐標(biāo)，將其納入實(shí)際礦山坐標(biāo)系，獲得了靶標(biāo)實(shí)際坐標(biāo)（xi，yi，zi），再通過(guò)激光測(cè)距儀確定靶標(biāo)距離CMS激光中心點(diǎn)的偏移位移（Xi，Yi，Zi），則 CMS 中心點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)（x，y，z）轉(zhuǎn)換公式如下：

這樣就將多次掃描的各點(diǎn)云數(shù)據(jù)置于公共坐標(biāo)系下，方便后期建模處理.

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維可視化建模

CMS空區(qū)掃描的最終目的是建立三維可視化實(shí)體模型，建立實(shí)體模型是為了掌握空區(qū)的基本形態(tài)、位置、體積以及與礦體和其他巷道工程的空間位置關(guān)系.除了能獲得上述這些幾何信息外，還可以經(jīng)過(guò)對(duì)模型編輯處理獲得相關(guān)力學(xué)信息、建立模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析以及與采礦有關(guān)的經(jīng)濟(jì)信息等.

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)初始處理得到點(diǎn)云坐標(biāo)后，可采用多種手段生成空區(qū)三維模型.運(yùn)用CAD或 QVOL生成的空區(qū)模型是一種 mesh模型，雖然實(shí)現(xiàn)了三維建模，但該類模型可視化程度較差、編輯能力弱.用Surpac和Datamine等礦業(yè)軟件建立的模型雖然可視化強(qiáng)、模型編輯能力強(qiáng)，但在建模過(guò)程中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與驗(yàn)證相對(duì)繁瑣，且建立的模型精度相對(duì)不高.利用逆向工程軟件Geomagic建立三維模型時(shí)，可直接利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，省去了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與驗(yàn)證的繁瑣環(huán)節(jié)，同時(shí)與CMS自帶軟件一樣能保持很高的精度.

在Geomagic里，調(diào)用點(diǎn)云封裝功能，軟件將自動(dòng)通過(guò)計(jì)算將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三角面片，以三角面片將點(diǎn)云封裝為一個(gè)實(shí)體模型.軟件擬合的三角面數(shù)量隨著掃描體的復(fù)雜程度而增加，還可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)控制擬合的三角面片的質(zhì)量，一般擬合的三角面片的質(zhì)量與計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度成反比.針對(duì)所生成的實(shí)體模型，還可以對(duì)其進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化處理，如填充孔，用來(lái)填充實(shí)體中的空洞；網(wǎng)格醫(yī)生，自動(dòng)修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)的缺陷；簡(jiǎn)化，用來(lái)減少三角形的數(shù)量，但不減少曲面的形狀和顏色.通過(guò)這些優(yōu)化處理，可以優(yōu)化模型存在的問(wèn)題，構(gòu)建出一個(gè)符合要求的模型.

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目介紹

福建源鑫礦業(yè)公司，多年來(lái)由于民采行為使得其379 m水平以上形成了大量的采空區(qū)，且開采過(guò)程中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的采礦設(shè)計(jì)圖紙，開采過(guò)程中見礦就挖，采富棄貧，采空區(qū)未進(jìn)行相應(yīng)描述及處理.導(dǎo)致該礦379 m水平以上采空區(qū)位置及分布特征未知.大規(guī)模復(fù)雜空區(qū)群的存在，嚴(yán)重影響了源鑫礦業(yè)公司的正常生產(chǎn).

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果，工作人員由出礦漏斗口進(jìn)入空區(qū)，采用三腳架操作方式，在空區(qū)中架設(shè)設(shè)備進(jìn)行空區(qū)的三維空間測(cè)量.

2）如圖4，需要對(duì)2#勘探線到5#勘探線之間160m范圍內(nèi)的23個(gè)漏斗口的采空區(qū)進(jìn)行采空區(qū)掃描.如圖4所示，測(cè)量范圍為2條青色勘探線之間的區(qū)域，漏斗口為對(duì)角黑白方形所示的位置.

圖4 370m中段探測(cè)區(qū)示意圖

3）416 m中段水平：需要對(duì)礦區(qū)2#勘探線到7#勘探線之間200 m范圍內(nèi)的49個(gè)漏斗口的采空區(qū)進(jìn)行采空區(qū)掃描.

3.2 原始點(diǎn)云

本次共取得有效的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件68個(gè)，總共大約878萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，原始點(diǎn)云圖見圖5.

3.3 簡(jiǎn)化后的點(diǎn)云

原始點(diǎn)云數(shù)量巨大，直接進(jìn)行建模處理耗費(fèi)時(shí)間，PC機(jī)下由于內(nèi)存的限制，建立不了模型，因此在滿足空區(qū)掃描精度及基本保持空區(qū)形態(tài)下，對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了精簡(jiǎn)，精簡(jiǎn)后剩余54萬(wàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，見圖6，從圖6可以看出，基本保持了空區(qū)的完整形態(tài).

圖5 原始點(diǎn)云圖

圖6 簡(jiǎn)化后的點(diǎn)云圖

3.4 建模后的結(jié)果

對(duì)于精簡(jiǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Geomegic生成三角面片模型，手工補(bǔ)充完空洞后，形成DXF文件，導(dǎo)入到3Dmine中，圖7為最后形成的空區(qū)三維模型.利用Geomagic軟件只是較精確間接地建立了三維模型，建立模型的最終目的是通過(guò)對(duì)其后期處理，分析出所需的信息以指導(dǎo)生產(chǎn).Geomagic它畢竟不是礦業(yè)軟件，不能將模型與礦業(yè)生產(chǎn)有效聯(lián)系起來(lái).針對(duì)此問(wèn)題，應(yīng)用3Dmine礦業(yè)軟件通過(guò)對(duì)所建模型編輯處理得出有用信息，用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn).其過(guò)程是利用Geomagic軟件將模型保存為“DXF”類型文件，以便在3Dmine中打開并作進(jìn)一步的分析應(yīng)用.

圖7 空區(qū)三維模型

4 結(jié) 論

1）總結(jié)了針對(duì)空區(qū)原始點(diǎn)云的處理過(guò)程：點(diǎn)云著色、手動(dòng)刪除雜色點(diǎn)、體外孤點(diǎn)、減少噪音、統(tǒng)一采樣，把海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，應(yīng)用實(shí)例表明，這套流程針對(duì)礦山空區(qū)的點(diǎn)云處理建模還是比較可行和有效的.

2）所構(gòu)建的模型是使用了礦山公共坐標(biāo)，和已建立好的礦山三維地質(zhì)模型進(jìn)行合并，形成了礦山三維可視化開采現(xiàn)狀模型.通過(guò)此模型掌握空區(qū)的基本形態(tài)、位置、體積以及與礦體和其他巷道工程的空間位置關(guān)系，為礦山安全高效生產(chǎn)提供及時(shí)的實(shí)時(shí)資料，及時(shí)為礦山開采設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù).此外，還可以利用所獲得采空區(qū)模型，將其與采場(chǎng)設(shè)計(jì)模型復(fù)合比對(duì)，通過(guò)剖切等布爾運(yùn)算，計(jì)算出包括采場(chǎng)超挖量、欠挖量、存留礦量和損失貧化率在內(nèi)的采場(chǎng)回采指標(biāo)，及時(shí)為采場(chǎng)下一步開采優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)礦山更加高效、安全地生產(chǎn).

3）由于沒(méi)有專門用于空區(qū)的建模軟件，整個(gè)建模過(guò)程還有些復(fù)雜，手工處理過(guò)程比較耗費(fèi)時(shí)間，如果有專門的空區(qū)點(diǎn)云處理軟件，將會(huì)極大地提高基于CMS激光掃描空區(qū)建模的工作效率及普及程度.

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